对一起换流站交流滤波器低端电容器击穿事故分析

2013-09-05陈晓东鲍云浮

四川电力技术 2013年4期

冷怡，陈晓东，鲍云浮

(泸州电业局，四川泸州 646000)

0 引言

在高压直流输电系统中，由于换流阀由开关器件构成，会在交流侧产生大量的谐波，会对电网的输电品质及现场的通信设备造成极大危害，这就需要在交流侧接入滤波器滤除特征谐波［1］;同时，换流器在运行过程中需要消耗换流容量40%～60%的无功，这也需要交流滤波器来提供。直流输电系统的运行性能和安全可靠程度与交流滤波器的运行状态密切相关。

1 事故介绍

1.1 事故经过

2011年10月18日00:05，某换流站双极功率由1841 MW升至2041 MW，在双极功率值升至1847.5 MW过程中，5633交流滤波器自动投入运行，此时监控系统报“5633交流滤波器低端电抗器电流异常”，现场检查发现低端电抗器、电流互感器T2、C2电容器外观无异常，用钳形电流表测量T2二次端子发现C相无电流，A、B相电流正常。

将5633交流滤波器停电后，对5633 C相T2电流互感器进行了绝缘、耐压、变比、二次直阻、伏安特性等试验，试验数据合格;对与T2电流互感器电气相连的低端电抗器L2进行直流电阻试验，试验数据合格;对与电抗器L2及T2的串联支路相并联的C2电容器组(由两只电容器并联)进行测试，发现其中一只已经导通，同时检查F2避雷器C相动作1次(A相、B相未动作)。滤波器的接线方式如图1。

更换故障电容器后，5633交流滤波器重新投入运行时，监控系统再次报“5633交流滤波器低端电抗器电流异常”，停电后现场检查发现5633交流滤波器C相C2两只电容器均已导通，电容器外观无明显异常;C相F1、F2避雷器各动作1次，A、B相F1、F2避雷器未动作。

1.2 主要元件工况

该滤波器支路的相关元件配置情况及历年工况如下。

1.2.1 选相合闸装置

5633交流滤波器的断路器配置了选相合闸装置，其选相逻辑为在每相电压过零点附近投入该相断路器，控制方式为定角度控制。查阅首检后历次5633交流滤波器投入时的故障录波记录，发现每次投入时，C相断路器的合闸角及合闸时对应的系统电压值均明显大于A、B两相，具体表1中所示。

图1 5633交流滤波器接线图

表1 5633断路器的历次合闸时刻及对应的系统过电压值

1.2.2 断路器

5633交流滤波器的断路器型号为 LW10B-550YT，配进口ABB弹簧贮能液压机构。对比该断路器技术协议、现场交接试验、首检试验的数据，发现5633交流滤波器的断路器合闸时间满足要求，合闸同期性与技术要求相符。

1.2.3 避雷器

表2 F1、F2避雷器动作次数统计

5633交流滤波器的高端避雷器F1型号为Y71WL5-142/373，低端避雷器F2型号为Y7.6WL5-40/89。从2011年5月首检至事故发生时的避雷器动作次数统计情况如表2中所示。从表2的统计结果可见:C相避雷器的动作次数远高于A、B两相，这说明在滤波器投切过程中C相发生过电压的概率远高于A、B两相。

1.2.4 低端电容器C2

C2电容器为两只电容器并联结构，C2电容值为10.74 μF。C2两端的操作冲击电压为60 kV，最大持续电压为6.1 kV。

2 事故原因分析

查看5633投入的故障录波图，C相断路器在电压过零点后3.8 ms及3.6 ms才出现合闸电流。与A、B相比较，C相合闸角明显偏大。

据此，推测可能是选相合闸装置或断路器C相故障，导致C相合闸角偏大，合闸瞬间电压过大，造成滤波电容被击穿［2］。于是查阅首检后历次5633交流滤波器投入时的故障录波，发现每次投入时，C相断路器的合闸角均明显大于A、B两相。首检后5633共计7次投入运行，除2011年7月21日00:47投入时，C相合闸时刻为电压过零点后2.0 ms，对应电压瞬时值为255.9 kV，F1避雷器未动作外，其余6次合闸时间均大于2 ms，对应的电压瞬时值均高于300 kV，C相F1避雷器均发生动作。首检后F2避雷器共计动作2次，且均伴生C2击穿现象。根据F2避雷器动作情况，可以初步确认C2存在过电压现象［3-4］。

F1避雷器的3 mA参考电压为201 kV。根据故障录波图，A、B相断路器在选相合闸装置作用下，于电压过零点1.0～1.5 ms内合闸，对应的500 kV母线电压瞬时值为131.12～192.64 kV，小于201 kV;而C相断路器于电压过零点3.6～3.8 ms内合闸，对应的500 kV母线电压瞬时值为395.4～402.91 kV，远大于201 kV。因此，在F1避雷器的动作特性下，选相合闸装置的正常工作是保证F1安全运行的必要条件。

根据5633断路器交接、首检及本次断路器机械特性试验记录，交接试验时C相断口合闸时间为61.2 ms、61.8 ms，首检试验时C相断口合闸时间为63.0 ms、63.0 ms，本次诊断试验时C相断口合闸时间为63.1 ms、63.3 ms，C相断路器合闸时间增加超过1.5 ms，大于预期值(合同规定为小于1 ms)，也导致了选相合闸控制效果不佳。

此外，C2电容器极板间操作冲击电压耐压值为60 kV。根据厂家提供的F2伏安特性，在7.6 kA电流下F2的操作冲击残压为89 kV，200 A电流下的残压为77 kV。F2残压偏高也可能是造成C2击穿的原因。

3 建立仿真模型

为定量计算合闸过程中在低端电容器C2上产生的操作过电压大小，在电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，以复现故障发生时以及不同合闸条件下在C2上产生的操作过电压［5-6］。

图2 电磁暂态仿真模型图

根据该换流站电气接线方式及设备基本参数，建立仿真模型如图2所示:直流为双极12脉动结构，直流系统送端采用定电流控制，受端采用定熄弧角控制，仿真中考虑换流变压器的饱和特性，换流站无功补偿情况视直流传输功率而定。

4 仿真结果

4.1 事故模拟

设置仿真条件为:在投入5633交流滤波器前，直流传输功率为1845 MW，换流站投入无功补偿容量8×155 Mvar，换流母线初始工作电压为534.0 kV。投入5633交流滤波器，其A相、B相断路器合闸滞后于电压过零点时间分别为1.2 ms和1.1 ms，C相断路器合闸滞后于电压过零点时间为3.6 ms。合闸时刻设置与10月19日故障录波装置采集到的数据相同，以便重现故障过程。

经过仿真计算，对比A、B、C相曲线可发现，由于C相合闸滞后时间远大于A、B两相，造成其合闸过程中产生了较为严重的操作过电压。C相操作过电压值达到了82.7 kV，高于滤波器低端电容器C2的耐压水平60 kV，如图3所示。

在合闸过程中，A、B相的避雷器F1、F2均未动作，C相的F1、F2均动作，合闸过程中C相F1产生的能量为10.61 kJ，F2产生的能量为0.47 kJ，如图4、图5所示。虽然避雷器F1、F2对低端电容C2起到了一定的保护作用，但C2上的瞬时过电压仍高达82.7 kV，避雷器残压过高导致了C2被击穿。

4.2 合闸滞后时间与操作过电压的关系

令A相、B相断路器合闸滞后于电压过零点时间分别为1.2 ms和1.1 ms，改变C相合闸时间得到C相低端电容器操作过电压值与合闸滞后时间的关系，计算结果如表3所示，其对照关系如图6所示。

在滞后时间小于2 ms时，低端电容器两端操作过电压值基本与其呈线性关系，当滞后时间为1.5 ms时，过电压值达到60.7 kV，已经超过低端电容器的耐压值。而当滞后时间为3.6 ms时，操作过电压值达到82.7 kV，已远超低端电容器的耐压值。

5 结论及建议

电磁暂态仿真结果表明，交流滤波器低端电容操作过电压值与其断路器闭合时刻滞后电压过零点时间相关。该换流站5633滤波器C相断路器合闸时间滞后电压过零点过多，导致合闸角偏大，形成较大的合闸冲击，使C相低端电容上产生较大的操作过电压。虽然合闸过程中C相的避雷器F1和F2均动作，但滤波器低端电容C2的耐压值与避雷器F2的残压不匹配导致了F2的保护作用有限。这两个因素最终造成了电容器的击穿。